JP7473714B2 - 構造部材及び構造部材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、構造部材及び構造部材の製造方法に関する。

従来より、車両における乗員の安全性向上が求められており、係る目的のために車体の強度を向上させてきた。他方、地球温暖化問題等の深刻化を背景に、自動車の燃費改善の動きが加速している。燃費改善には車体の軽量化が有効であることが知られている。また、電力により走行する車両（電気自動車、ハイブリッド自動車等を含む）、及び自走式ロボット等の機器の開発も進展している。このような車両又は機器に搭載する電池システムは、一般的に、多数のバッテリー（電池、電池セル）をバッテリートレイに収容した構成を有している。

特許文献１には、複数の電池パックを収容する電池パック構造体として、一対の前フレーム及び後フレームとをそれぞれ左右のサイドフレームにて連結した外枠体と、この外枠体の底部側に配設した冷却部材とを備え、冷却部材が上部冷却層と下部冷却層とを重ね合せて内側に冷却流路を形成したものが開示されている。

また、特許文献２には、底部と、底部から立設した側壁部にて内側に電池の収納部を形成し、底部がヒートパイプ構造になっている電池収納構造体が示されている。

さらに、特許文献３には、対向配置した第１サイド部材と第２サイド部材とで、電池モジュールの収容部を形成した車両用電池ケース構造体が示されている。この電池ケース構造体では、第１サイド部材と第２サイド部材のうち、一方又は両方は、電池モジュールの側部側に位置する骨格中空部と電池モジュールの下側に位置するアンダー中空部とを有し、電池モジュールの収容部の収容底部とアンダー中空部との間にクリアランス中空部を有し、骨格中空部、クリアランス中空部及びアンダー中空部とが一体的に形成されている。

また、特許文献４には、継手部分を表裏から摩擦撹拌溶接して部材同士を接合する技術が開示されている。

特開２０２１－１４０８６３号公報 特開２０２０－１９２９１号公報 特開２０２１－７０３８６号公報 特許第４８３８３８５号公報

ところで、特許文献１に記載の構造体は、その底部となる冷却部材を、それぞれ薄い板状の上部冷却層と下部冷却層とを重ね合せて形成しているため、剛性を十分に確保することが困難である。

また、特許文献２～４に記載の構造体は、複数の押出材の端面を突き合わせて接合させて底部を構成する際に、その接合箇所に熱と応力が集中して歪みが生じ易く、高精度に作製することが困難である。

そこで本発明は、十分な剛性を確保しつつ高精度に作製された構造部材及び構造部材の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は下記の構成からなる。
（１） 少なくとも一つが押出方向に沿って複数列の中空部を有する複数の押出材パネルと、前記押出材パネルの縁部同士が突き合わされて摩擦撹拌接合された継手部とを有する構造部材であって、
前記継手部は、
前記押出材パネルの厚さ方向の総肉厚が１５ｍｍ以下であり、
前記押出材パネルの表面側に形成された第１撹拌接合部と、
前記押出材パネルの裏面側に形成された第２撹拌接合部と、
前記押出材パネルの前記表面側及び前記裏面側に前記縁部に沿ってそれぞれ形成されたショルダー撹拌面と、
を有し、
前記ショルダー撹拌面の長手方向と前記厚さ方向とに直交する幅方向の長さをＷｔｆ、前記押出材パネル内で隣り合う前記中空部同士の間に形成されるリブの前記幅方向の長さをＷｒとしたとき、
前記押出材パネルの前記縁部から、前記縁部に最も近くに配置された前記中空部の前記縁部側の端部までの前記幅方向の長さＬは、
Ｌ≧Ｗｔｆ／２＋Ｗｒ
である構造部材。
（２） 少なくとも一つが押出方向に沿って複数列の中空部を有する複数の押出材パネルを、該押出材パネルの縁部同士を突き合わせて摩擦撹拌接合する構造部材の製造方法であって、
ベースに前記複数の押出材パネルを平坦状に並べて配置させる第１配置工程と、
前記押出材パネル同士を前記平坦状に並べた面内で互いに近接する方向に押圧して前記縁部同士を突き合わせる第１押圧工程と、
前記ベースの前記押出材パネルを挟んだ他方の側から押さえ治具を前記押出材パネルに当接させ、前記押出材パネルを前記ベースへ押し付ける第１押し付け工程と、
複数の前記押出材パネルが互いに突き合わされた前記縁部同士間の接合線に沿って、前記押出材パネルの前記押さえ治具側の片面から摩擦撹拌接合する第１接合工程と、
片面が摩擦撹拌接合された前記押出材パネルから前記押さえ治具を退避させ、前記押出材パネルを、表裏を反転させて再び前記ベース上に配置させる第２配置工程と、
前記押出材パネルを前記面内で互いに近接する方向に押圧して前記端部同士を突き合わせる第２押圧工程と、
前記ベースの前記押出材パネルを挟んだ他方の側から前記押さえ治具を再び前記押出材パネルに当接させ、前記押出材パネルを前記ベースへ押し付ける第２押し付け工程と、
前記接合線に沿って、前記押出材パネルの前記押さえ治具側の片面から摩擦撹拌接合する第２接合工程と、
を含む、構造部材の製造方法。

本発明によれば、十分な剛性を確保しつつ高精度に作製された構造部材及び構造部材の製造方法を提供できる。

図１は、本構成例に係る構造部材の斜視図である。 図２は、本構成例に係る構造部材の側面図である。 図３は、構造部材の一部の側面図である。 図４は、構造部材の継手部における斜視図である。 図５は、構造部材の継手部における側面図である。 図６Ａは、第１配置工程及び第１押圧工程を説明するためのベース上に配置された押出材パネルの斜視図である。 図６Ｂは、第１配置工程及び第１押圧工程を説明するためのベース上に配置された押出材パネルの側面図である。 図７Ａは、第１押し付け工程を説明するためのベース上に配置された押出材パネルの斜視図である。 図７Ｂは、第１押し付け工程を説明するためのベース上に配置された押出材パネルの側面図である。 図８は、第１押し付け工程における押さえ治具による押し付け方の参考例を説明するためのベース上に配置された押出材パネルの側面図である。 図９Ａは、第１接合工程を説明するためのベース上に配置された押出材パネルの斜視図である。 図９Ｂは、第１接合工程を説明するためのベース上に配置された押出材パネルの側面図である。 図１０は、押圧治具及び押さえ治具を取り外した状態を示すベース上に配置された押出材パネルの側面図である。 図１１は、第２配置工程、第２押圧工程及び第２押し付け工程を説明するためのベース上に配置された押出材パネルの側面図である。 図１２は、第２接合工程を説明するためのベース上に配置された押出材パネルの側面図である。 図１３は、押出材パネル同士の接合後の機械加工について説明するためのベース上に配置された押出材パネルの側面図である。 図１４は、機械加工が施された構造部材の斜視図である。 図１５は、押出材パネルの縁部同士が摩擦撹拌接合された構造部材の一部拡大断面図である。 図１６は、押出材パネルの片側の表面から溶着部を越える範囲まで摩擦撹拌接合を行った場合の断面写真である。 図１７は、押出材パネルの両面から溶着部を越えない範囲で摩擦撹拌接合を行った場合の断面写真である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本構成例に係る構造部材１００の斜視図である。図２は、本構成例に係る構造部材１００の側面図である。
図１及び図２に示すように、本構成例に係る構造部材１００は、板状に形成された構造体であり、複数（本例では一例として２つ）の押出材パネル１１から構成される。構造部材１００は、押出材パネル１１の押出方向に沿った側面同士を互いに接合して構成されている。ここで例示する押出材パネル１１の形状は、いずれも平面視で長方形である。以下、押出材パネル１１の板厚方向をＺ方向、押出方向と平行で長方形の一辺に沿う方向をＹ方向、その一辺に直交する長方形の他辺に沿う、Ｙ方向及びＺ方向に直交する方向をＸ方向として説明する。

押出材パネル１１としては、いずれもアルミニウムまたはアルミニウム合金を素材とした板状の押出形材が用いられる。押出材パネル１１として使用されるアルミニウム合金は、優れた強度を有し、より薄肉化が可能である点で、ＪＩＳ又はＡＡ規格でいう５０００系、６０００系、７０００系などのアルミ合金が好ましい。これらアルミニウム合金の中空押出形材は、鋳造（ＤＨ鋳造法又は連続鋳造法）、均質化熱処理、熱間押出、溶体化および焼入れ処理、必要により人工時効処理、などの調質処理を適宜組み合わせて製造したものを好適に使用できる。これによれば、構造部材１００を軽量化しつつ高強度な構成にできる。

図３は、構造部材１００の一部の側面図である。構造部材１００は、少なくとも一つが押出方向に沿って複数列の中空部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃを有する複数の押出材パネル１１と、押出材パネル１１の縁部同士が突き合わされて摩擦撹拌接合された継手部３１とを有する。図３に示す構造部材１００における押出材パネル１１には、その厚さ方向（Ｚ方向）の中央に、複数列の中空部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃが押出方向（Ｙ方向）に沿って成形されている。この押出材パネル１１内の互いに隣り合う中空部１３Ａ，１３Ｂ同士の間、及び互いに隣り合う中空部１３Ｂ，１３Ｃ同士の間には、リブ１５が形成されている。

押出材パネル１１には、互いに突き合わせる縁部から押圧治具４５に向けて、広幅の中空部１３Ａ、狭幅の中空部１３Ｂ、広幅の中空部１３Ｂがこの順で並んで形成されているが、各中空部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃの幅、厚さ、形状等は任意に設定できる。

押出材パネル１１は、例えば、厚さＴ１が１５ｍｍ以下の平坦な薄板状に成形されている。この押出材パネル１１の中空部１３Ａ（中空部１３Ｂ，１３Ｃも同様）の厚さＴ２は、押出材パネル１１の厚さＴ１の半分程度であり、押出材パネル１１のリブ１５のＸ方向の幅Ｗｒは、中空部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃの厚さＴ２の半分以上であるのが好ましい。これにより、中空部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃを有する押出材パネル１１の強度が十分に確保される。

次に、押出材パネル１１同士の接合箇所の構造について詳細に説明する。
図４は、構造部材１００の継手部３１における斜視図である。図５は、構造部材１００の継手部３１における側面図である。

図４及び図５に示すように、構造部材１００は、押出材パネル１１の縁部同士が突き合わされて摩擦撹拌接合されている。この摩擦撹拌接合された部分が継手部３１となる。継手部３１は、板厚方向（Ｚ方向）に関して、一方の面である表面側に形成された第１撹拌接合部３３と、他方の面である裏面側に形成された第２撹拌接合部３５とを有する。第１撹拌接合部３３と第２撹拌接合部３５は、それぞれ縁部に沿った長手方向（Ｙ方向）にショルダー撹拌面３７が形成されている。ショルダー撹拌面３７は、摩擦撹拌ツールのショルダー部が回転、押圧、摺動することによって接合部表層部に形成される撹拌面であり、ショルダーマークとも呼ばれ、継手部３１の長手方向の全長にわたって形成されている。

継手部３１は、押出材パネル１１の厚さ方向の総肉厚Ｔ３が１５ｍｍ以下（図３参照）、好ましくは１２ｍｍ以下、より好ましくは１０ｍｍ以下であり、第１撹拌接合部３３の深さＤ１及び第２撹拌接合部３５の深さＤ２の下限は、それぞれ２ｍｍ以上、好ましくは３ｍｍ以上であり、上限は、５ｍｍ以下、好ましくは４ｍｍ以下である。これにより、継手部３１における接合強度が表裏で十分に確保される。なお、継手部３１の総肉厚Ｔ３は、押出材パネル１１の厚さＴ１と同一又は略同一の厚さになっている。

押出材パネル１１の縁部には、中実部１７が形成されている。この中実部１７は、Ｘ方向に関して押出材パネル１１の縁部の端面から、この縁部に最も近くに配置された中空部１３Ａの縁部側の端部までの幅Ｌが、継手部３１における表裏に形成されたショルダー撹拌面３７の幅Ｗｔｆの半値（Ｗｔｆ／２）と、押出材パネル１１内で隣り合う中空部１３Ａ，１３Ｂ同士、及び中空部１３Ｂ，１３Ｃ同士の間のリブ１５のＸ方向の幅Ｗｒ（図３参照）との合計寸法以上（Ｌ≧Ｗｔｆ／２＋Ｗｒ）とされている。

これにより、構造部材１００は、表面側の第１撹拌接合部３３と裏面側の第２撹拌接合部３５とを有する継手部３１において、押出材パネル１１同士が表裏でバランスよく安定した接合強度で接合されている。したがって、継手部３１及びその周辺における十分な強度が確保された構造部材１００が得られる。

次に、上記の構造部材１００の製造方法について説明する。
図６Ａ及び図６Ｂは、第１配置工程及び第１押圧工程を説明するためのベース上に配置された押出材パネルの斜視図である。図７Ａ及び図７Ｂは、第１押し付け工程を説明するためのベース上に配置された押出材パネルの斜視図である。

図６Ａ及び図６Ｂに示すように、ベース４１に、互いに接合させる２枚の押出材パネル１１をセットする（第１配置工程）。具体的には、ベース４１の上面からなる平滑面４３上に２枚の押出材パネル１１を平坦状に並べて配置させ、これらの押出材パネル１１の縁部同士を突き合わせる。

次に、ベース４１の平滑面４３上に配置させた２枚の押出材パネル１１同士を、平滑面４３内で互いに近接する方向へ押圧して縁部同士を突き合わせる（第１押圧工程）。具体的には、ベース４１上に配置させた押出材パネル１１の互いに突き合わせた縁部と反対側の縁部に押圧治具４５を装着し、これらの押圧治具４５によって押出材パネル１１同士を互いに近接する方向へ押し付ける。押圧治具４５は、長尺の角柱状に形成されており、押出材パネル１１側に保持凹部４６を有している。押圧治具４５は、保持凹部４６に押出材パネル１１の縁部を嵌め込むようにベース４１に装着される。これにより、押出材パネル１１は、その縁部が長手方向の全長にわたって押圧治具４５によって保持される。押圧治具４５によって保持される押出材パネル１１は、保持凹部４６を形成する一方の側壁４６ａによって突き合わせ方向に押圧され、さらに、保持凹部４６を形成する他方の側壁４６ｂによってベース４１の平滑面４３に押し付けられる。

そして、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、縁部同士を互いに突き合わせた押出材パネル１１を、ベース４１の押出材パネル１１を挟んだ他方の側から平滑面４３へ押し付ける（第１押し付け工程）。押出材パネル１１をベース４１の平滑面４３へ押し付けるには、一対の押さえ治具４７及び一対の押さえ治具４９を用いる。

一対の押さえ治具４７は、Ｙ方向に長尺の平板状に形成されており、少なくとも押出材パネル１１に接触する面が平面部４７ａとされている。各押さえ治具４７は、押出材パネル１１のＺ方向中央の中空部１３Ｂに対応する位置に配置され、Ｘ方向に関して中空部１３Ｂの幅よりも大きな幅寸法を有している。押さえ治具４７は、各押出材パネル１１の中空部１３Ｂに対応する位置において、そのＸ方向両端がリブ１５にかかるように、即ち、押出材パネル１１の厚さ方向にリブ１５と重なるように配置される。

一対の押さえ治具４９は、Ｙ方向に長尺の棒状に形成されており、少なくとも押出材パネル１１に接触する面が平面部４９ａとされている。各押さえ治具４９は、押出材パネル１１の互いに突き合わされた縁部寄りにおいて、中実部１７にかかる位置、即ち、押出材パネル１１の厚さ方向に中実部１７と重なるように配置される。それぞれの押出材パネル１１上に配置させた一対の押さえ治具４９は、押出材パネル１１同士の突き合わせ箇所から互いにＸ方向に間隔をあけて配置される。

このように、押出材パネル１１上に配置された押さえ治具４７，４９のそれぞれには、クランパや錘等の荷重付与手段によってベース４１へ向かって荷重が付与される。これにより、ベース４１上の押出材パネル１１は、押さえ治具４７，４９によって、その長手方向（Ｙ方向）の全長にわたってベース４１の平滑面４３に隙間なく押し付けられた状態となる。

なお、押さえ治具４７，４９とともに、押圧治具４５も荷重付与手段によってベース４１へ向かって荷重を付与するのが好ましい。

図８は、第１押し付け工程における押さえ治具による押し付け方の参考例を説明するためのベース上に配置された押出材パネルの側面図である。
図８に示す参考例では、それぞれの押出材パネル１１の上部に、平板状の押さえ治具４７が２つずつ配置されている。一方の押さえ治具４７は、中空部１３Ｃの上部に配置され、他方の押さえ治具４７は、Ｘ方向の幅の中央がリブ１５の真上となる位置に配置されている。これらの押さえ治具４７は、いずれもＸ方向の両端がリブ１５にかからない、即ち、押出材パネル１１の厚さ方向にリブ１５と重ならない位置に配置されている。さらに、押出材パネル１１の互いに突き合わされた縁部寄りに配置された押さえ治具４９は、中空部１３Ａ上に配置されている。

このように、押さえ治具４７のＸ方向の両端をリブ１５にかからない位置に配置させ、押さえ治具４９を中空部１３Ａの上部に配置させた参考例の場合、押出材パネル１１における中空部１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃを設けたことで薄肉とされた箇所が、押さえ治具４７，４９からの荷重によって変形するおそれがある。

これに対して、本構成例では、図７Ａ，図７Ｂに示すように、押さえ治具４７を、そのＸ方向の両端がリブ１５にかかるように配置させ、さらに、押さえ治具４９を中実部１７にかかるように配置させている。したがって、これらの押さえ治具４７，４９によって押出材パネル１１をベース４１へ向かって押圧させても、その荷重がリブ１５及び中実部１７によって受け止められるので、押出材パネル１１の薄肉とされた箇所の変形を抑えることができる。

図９Ａ及び図９Ｂは、第１接合工程を説明するためのベース４１上に配置された押出材パネル１１の斜視図である。図１０は、押圧治具４５及び押さえ治具４７，４９を取り外した状態を示すベース４１上に配置された押出材パネル１１の側面図である。

図９Ａ及び図９Ｂに示すように、押出材パネル１１の互いに突き合わされた縁部を摩擦撹拌ツールＴｆによって表面側（押さえ治具４９側の片面）から摩擦撹拌接合させる（第１接合工程）。具体的には、一対の押さえ治具４９同士の間に摩擦撹拌ツールＴｆを上方から挿し込み、押出材パネル１１の互いに突き合わされた縁部同士からなる接合線（Ｙ方向に沿った端部同士の図示しない仮想線）に沿って摩擦撹拌ツールＴｆを移動させ、互いに突き合わされた縁部同士を摩擦撹拌接合させる。これにより、押出材パネル１１の各縁部に第１撹拌接合部３３を形成する。すると、押出材パネル１１の突き合わせ箇所に、第１撹拌接合部３３によって片面側から接合した継手部３１が形成される。なお、摩擦撹拌ツールＴｆによる摩擦撹拌接合を行う際には、まず、接合線における端部をＹ方向に沿って５０ｍｍ程度の長さで摩擦撹拌接合して仮接合し、その後、仮接合箇所を含む接合線を全長にわたって摩擦撹拌接合するのが好ましい。

摩擦撹拌ツールＴｆによって第１撹拌接合部３３を形成したら、押圧治具４５及び押さえ治具４７，４９を取り外す又は移動することで退避させる。すると、図１０に示すように、互いに接合された押出材パネル１１は、摩擦撹拌接合によって付与された応力によって、継手部３１を屈曲の中心として、Ｘ方向の両端をベース４１から浮き上がらせる反りが僅かに生じる。この継手部３１を境にして、２つの押出材パネル１１の一方と他方に生じる反りは、摩擦撹拌接合時に押さえ治具４７，４９によって押出材パネル１１をベース４１の平滑面４３に押し付けることで抑えられる。しかし、反りを完全になくすことは困難であり、厚さ方向の一方の面側では、互いに摩擦撹拌接合された２つの押出材パネル１１は、互いの接合側（内側縁部）と反対側の外側縁部へ向かって、ベース４１の平滑面４３から次第に上方へ僅かに浮き上がる。これにより、押出材パネル１１の外側縁部とベース４１の平滑面４３との間に、僅かな隙間Ｇが残留する。

そこで、この隙間Ｇの残留を解消させる工程を実施する。図１１は、第２配置工程、第２押圧工程及び第２押し付け工程を説明するためのベース上に配置された押出材パネルの側面図である。図１２は、第２接合工程を説明するためのベース上に配置された押出材パネルの側面図である。

図１１に示すように、表面側で接合された２枚の押出材パネル１１の表裏を反転させて、ベース４１の平滑面４３上に再び配置させる（第２配置工程）。そして、押圧治具４５によって押出材パネル１１同士を平滑面４３内で互いに近接する方向へ押圧して端部同士を突き合わせる（第２押圧工程）。さらに、ベース４１の押出材パネル１１を挟んだ他方の側から押さえ治具４７，４９を再び押出材パネル１１に当接させ、押出材パネル１１をベース４１へ押し付ける（第２押し付け工程）。

このとき、互いに接合させた２枚の押出材パネル１１には、継手部３１を境にして、２つの押出材パネル１１の一方と他方に僅かに反りが生じている。このため、互いに接合された２枚の押出材パネル１１の表裏を反転させて再びベース４１の平滑面４３上に配置させた際に、継手部３１を有する中央部分に僅かな浮き上がりが生じる。しかし、押さえ治具４７，４９によって押出材パネル１１をベース４１へ押し付けることにより、中央部分の僅かな浮き上がりがなくされる。これにより、表裏を反転させた押出材パネル１１を平坦化させた状態でベース４１に配置させることができる。

図１２に示すように、押出材パネル１１の第１撹拌接合部３３で接合された継手部３１を摩擦撹拌ツールＴｆによって前述した裏面側から摩擦撹拌接合させる。つまり、接合線に沿って、押出材パネル１１の押さえ治具４７，４９側の片面から摩擦撹拌接合する（第２接合工程）。これにより、押出材パネル１１の継手部３１に第２撹拌接合部３５を形成する。なお、裏面側を摩擦撹拌接合する際にも、まず、接合線における端部をＹ方向に沿って５０ｍｍ程度の長さで摩擦撹拌接合して仮接合し、その後、仮接合箇所を含む接合線を全長にわたって摩擦撹拌接合するのが好ましい。

摩擦撹拌ツールＴｆによって第２撹拌接合部３５を形成したら、押圧治具４５及び押さえ治具４７，４９を取り外す又は移動することで退避させる。これにより、２枚の押出材パネル１１が継手部３１で接合された構造部材１００が得られる。このようにして得られた構造部材１００では、摩擦撹拌接合によって生じる反りが表裏で相殺されるので、反り等の変形がほとんどない状態とされる。

以上、説明したように、本構成例によれば、継手部３１において押出材パネル１１同士が表裏でバランスよく接合された構造部材１００を製造できる。また、摩擦撹拌接合させる際に、押出材パネル１１同士を互いに近接する方向へ押圧し、さらに、押出材パネル１１をベース４１へ厚さ方向に押し付けるので、接合箇所を境として押出材パネル１１に生じる反りを抑制できる。しかも、表裏から摩擦撹拌接合させることにより、接合箇所を境として生じる反りを相殺できる。これにより、反りが抑制されて押出材パネル１１同士が平坦状に接合された高品質な構造部材１００が得られる。

なお、継手部３１に第２撹拌接合部３５を形成した後に、必要に応じて押出材パネル１１に対して、バリ取りやトリミングなどの機械加工を行ってもよい。

ここで、押出材パネル１１の接合後における機械加工について説明する。図１３は、押出材パネル１１同士の接合後の機械加工について説明するためのベース４１上に配置された押出材パネル１１の側面図である。図１４は、機械加工が施された構造部材１００の斜視図である。

図１３に示すように、前述した各工程により第２撹拌接合部３５を形成した後に、押さえ治具４７，４９のうちの一部を取り外す又は移動することで退避させる。そして、例えば、マシニングセンタなどの工作機械において、摩擦撹拌ツールＴｆに代えてリーマ等の切削工具Ｔｃを付け替え、この切削工具Ｔｃによって構造部材１００に対して機械加工を行う。例えば、図１４に示すように、構造部材１００の片面側の一部を除去して凹状部分１１ａを形成する。

つまり、マシニングセンタ等の機械加工用の工作機械の主軸に摩擦撹拌ツールＴｆを装着させて摩擦撹拌接合を行った後に、リーマ等の切削工具Ｔｃを主軸に付け替えて機械加工を行う。これによれば、摩擦撹拌接合と機械加工とを、構造部材１００をベース４１に支持させたまま連続して実行できる。そのため、加工工程が簡略化されてタクトタイムを短縮できる上、ワークの脱着の位置ずれを招くことなく、高精度な加工が可能になる。しかも、ベース４１に拘束された構造部材１００に対して機械加工を行うことにより、構造部材１００の応力が解放されるので、摩擦撹拌接合によって生じる変形をより軽減させることができる。

次に、上記した押出材パネル１１が、ポートホール押出しにより形成された中空形材である場合について説明する。
ポートホール押出しは、オス型とメス型との２つのダイスを組み合わせてセットし、材料（ビレット）を押しつけて押出しする方式であり、オス型のエントリーポートから材料が分割されて供給され、メス型と組合せて形成されるチャンバーに充填される。その結果、分割された材料が圧力と塑性変形で再度一体化（固相接合）して中空材が形成される。その一体化されたつなぎ目には、上記した押出し成形による材料同士の接合界面を有する溶着部が形成される。

図１５は、押出材パネルの縁部同士が摩擦撹拌接合された構造部材の一部拡大断面図である。ポートホール押出しにより形成された押出材パネル１１には、その一部に溶着部が形成される。その溶着部が、例えば構造部材１００の継手部３１となる縁部に形成された場合、図１５に示すように、各押出材パネル１１の縁部における厚さ方向の中間位置に溶着部の界面ＷＬを生じる。この溶着部の界面ＷＬは、母材に対して不連続部となるため、界面、及び界面の周囲に再度の塑性変形が及ぶと、予期せぬ不完全部が形成される可能性が高い。そのため、摩擦撹拌接合を溶着部の界面ＷＬを跨いで形成することは避けるべきである。

そこで、押出材パネル１１の表面側から摩擦撹拌接合するとき、及び裏面側から摩擦撹拌接合するときに、溶着部の界面ＷＬの深さ位置に達しない範囲に留める。つまり、押出材パネル１１の厚さ方向に関して、押出材パネル１１の表側の面１１ｂから溶着部の界面ＷＬまでの範囲に第１撹拌接合部３３を形成し、裏側の面１１ｃから溶着部の界面ＷＬまでの範囲に第２撹拌接合部３５を形成する。このように、第１撹拌接合部３３と第２撹拌接合部３５とは、いずれも溶着部を跨がらずに形成されるようにする。

この構造部材１００によれば、溶着部の界面ＷＬを変形させることなく第１撹拌接合部３３及び第２撹拌接合部３５が形成されるため、不連続部である溶着部が塑性変形することがなく、接合不完全部（ボイド）や割れの発生を抑制できる。

上記した溶着部は、押出材パネル１１の設計段階で任意の位置に形成することができる。そのため、予め継手部３１の位置が決定している場合には、継手部３１に溶着部が形成されないように設計すればよい。また、溶着部の位置が決定している場合には、継手部３１となる部位を、溶着部を避けて決定すればよい。また、溶着部の位置と継手部３１の位置とを共に調整して、相互の干渉を未然に防止してもよい。

このようなポートホール押出しには、例えばＪＩＳの１０００系のアルミニウム、３０００系、６０００系のアルミニウム合金を用いることで、安定した加工が可能となる。

図１６は、押出材パネルの片側の表面から溶着部を越える範囲まで摩擦撹拌接合を行った場合の断面写真である。図１６においては、押出材パネル１１の裏面側（下側）から表面側（上側）に向けて摩擦撹拌接合を行っている。この場合、溶着部が表面側に向かって押し上げられ、溶着部の界面ＷＬが撹拌されて分解した部分にボイドＶＤが発生している。

図１７は、押出材パネルの両面から溶着部を越えない範囲で摩擦撹拌接合を行った場合の断面写真である。図１７においては、押出材パネル１１の裏面側（下側）からと表面側（上側）から摩擦撹拌接合を行っており、いずれも溶着部の界面ＷＬを越えない範囲に留めている。その結果、溶着部の界面ＷＬを変形させず、欠陥の発生は認められなかった。

このように、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。

例えば、上記構成例では２枚の押出材パネル１１を接合させた構造部材１００及びその製造方法を説明したが、接合させる押出材パネル１１の枚数は２枚に限らず、３枚以上であってもよい。その場合、多様な形状の構造体部材を容易に製造できる。

また、押出材パネル１１とベース４１の配置は、上述した水平配置に限らず、加工装置の形態に応じて垂直配置又は傾斜配置にしてもよい。その場合、加工可能な押出材パネル１１のサイズを拡大できる。

さらに、ベース４１の押出材パネル１１を支持する支持面は平滑面に限らない。支持面は、例えば、平面上に溝を形成して複数の凸部からなる接触面を有した構成等、複数の接触面、又は多数の接触点で押出材パネル１１を支持する面にしてもよい。その場合、広い接触面積が必要な場合でも支持面を低コストで形成できる。

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） 少なくとも一つが押出方向に沿って複数列の中空部を有する複数の押出材パネルと、前記押出材パネルの縁部同士が突き合わされて摩擦撹拌接合された継手部とを有する構造部材であって、
前記継手部は、
前記押出材パネルの厚さ方向の総肉厚が１５ｍｍ以下であり、
前記押出材パネルの表面側に形成された第１撹拌接合部と、
前記押出材パネルの裏面側に形成された第２撹拌接合部と、
前記押出材パネルの前記表面側及び前記裏面側に前記縁部に沿ってそれぞれ形成されたショルダー撹拌面と、
を有し、
前記ショルダー撹拌面の長手方向と前記厚さ方向とに直交する幅方向の長さをＷｔｆ、
前記押出材パネル内で隣り合う前記中空部同士の間に形成されるリブの前記幅方向の長さをＷｒとしたとき、
前記押出材パネルの前記縁部から、前記縁部に最も近くに配置された前記中空部の前記縁部側の端部までの前記幅方向の長さＬは、
Ｌ≧Ｗｔｆ／２＋Ｗｒ
である構造部材。
この構造部材によれば、表面側の第１摩擦撹拌接合部と裏面側の第２摩擦撹拌接合部とを有する継手部において、押出材パネル同士が表裏でバランスよく安定した接合強度で接合された高品質な構造部材を提供できる。また、継手部は、総肉厚が１５ｍｍ以下であり、中空部を有する押出材パネルにおける継手部側の縁部が、ショルダー撹拌面の幅の半分と中空部同士の間のリブの厚さとの合計寸法以上の長さ寸法の中実部を有する。したがって、継手部及びその周辺における十分な強度が確保された構造部材が得られる。

（２） 前記第１撹拌接合部及び前記第２撹拌接合部は、前記厚さ方向に関してそれぞれ２ｍｍ以上、５ｍｍ以下の厚さを有する、（１）に記載の構造部材。
この構造部材によれば、第１摩擦撹拌接合部及び第２摩擦撹拌接合部の厚さが２ｍｍ以上、５ｍｍ以下とされているので、継手部における接合強度を表裏で十分に確保できる。

（３） 前記リブは、前記厚さ方向に関して前記中空部の厚さの半分以上の厚さを有する、（１）に記載の構造部材。
この構造部材によれば、リブの厚さが中空部の厚さの半分以上とされているので、中空部を有する押出材パネル自体の強度も十分に確保できる。

（４） 前記押出材パネルは、前記厚さ方向の一部に、押出し成形による材料同士の接合界面を有する溶着部が形成された中空形材であり、
前記厚さ方向に関して、前記押出材パネルの前記表面側の面から前記溶着部の界面までの範囲に前記第１撹拌接合部が形成され、前記裏面側の面から前記溶着部の界面までの範囲に前記第２撹拌接合部が形成され、前記第１撹拌接合部と前記第２撹拌接合部とは、前記溶着部の界面を跨がらずに形成されている、（１）から（３）のいずれか１つに記載の構造部材。
この構造部材によれば、溶着部を変形させることなく第１撹拌接合部及び第２撹拌接合部が形成されるため、不連続部である溶着部が塑性変形することがなく、接合不完全部（ボイド）や割れの発生を抑制できる。

（５） 前記押出材パネルは、アルミニウム又はアルミニウム合金である、（４）に記載の構造部材。
この構造部材によれば、ポートホール押出しにより中空形材を安定して形成できる。

（６） 少なくとも一つが押出方向に沿って複数列の中空部を有する複数の押出材パネルを、該押出材パネルの縁部同士を突き合わせて摩擦撹拌接合する構造部材の製造方法であって、
ベースに前記複数の押出材パネルを平坦状に並べて配置させる第１配置工程と、
前記押出材パネル同士を前記平坦状に並べた面内で互いに近接する方向に押圧して前記縁部同士を突き合わせる第１押圧工程と、
前記ベースの前記押出材パネルを挟んだ他方の側から押さえ治具を前記押出材パネルに当接させ、前記押出材パネルを前記ベースへ押し付ける第１押し付け工程と、
複数の前記押出材パネルが互いに突き合わされた前記縁部同士間の接合線に沿って、前記押出材パネルの前記押さえ治具側の片面から摩擦撹拌接合する第１接合工程と、
片面が摩擦撹拌接合された前記押出材パネルから前記押さえ治具を退避させ、前記押出材パネルを、表裏を反転させて再び前記ベース上に配置させる第２配置工程と、
前記押出材パネルを前記面内で互いに近接する方向に押圧して前記端部同士を突き合わせる第２押圧工程と、
前記ベースの前記押出材パネルを挟んだ他方の側から前記押さえ治具を再び前記押出材パネルに当接させ、前記押出材パネルを前記ベースへ押し付ける第２押し付け工程と、
前記接合線に沿って、前記押出材パネルの前記押さえ治具側の片面から摩擦撹拌接合する第２接合工程と、
を含む、構造部材の製造方法。
この構造部材の製造方法によれば、摩擦撹拌接合させる際に、押出材パネル同士を互いに近接する方向へ押圧し、押出材パネルをベースへ押し付けるので、接合箇所を境として生じる反りを抑えることができる。しかも、表裏から摩擦撹拌接合させることにより、接合箇所を境として生じる反りを相殺させることができる。これにより、反りが抑えられて押出材パネル同士が接合された高品質な構造部材が得られる。

（７） 前記押さえ治具は、前記押出材パネルの前記中空部の長手方向に延びて設けられ、前記第１押し付け工程及び前記第２押し付け工程において、前記押出材パネル内で隣り合う前記中空部同士の間に形成されるリブと前記押出材パネルの厚さ方向に重なるように配置する、（６）に記載の構造部材の製造方法。
この構造部材の製造方法によれば、押さえ治具によって押出材パネルをベースに押し付ける際の押出材パネルの変形を抑えることができる。

（８） 前記第１押し付け工程及び前記第２押し付け工程において、前記押さえ治具によって前記押出材パネルを前記摩擦撹拌接合の接合線の全長にわたって前記ベースに押し付ける、（６）又は（７）に記載の構造部材の製造方法。
この構造部材の製造方法によれば、押さえ治具によって押出材パネルを接合方向の全長にわたって押し付けるので、押出材パネル同士を全長にわたって良好に接合させることができる。

（９） 前記押出材パネルは、前記厚さ方向の一部に、押出し成形による材料同士の接合界面を有する溶着部が形成された中空形材であり、
前記押出材パネルの厚さ方向に関して、前記押出材パネルの一方の面から前記溶着部の界面までの範囲に前記第１接合工程による第１撹拌接合部を形成し、前記押出材パネルの他方の面から前記溶着部の界面までの範囲に前記第２接合工程による第２撹拌接合部を形成し、前記第１撹拌接合部と前記第２撹拌接合部とを前記溶着部の界面を跨がずに形成する、（６）から（８）のいずれか１つに記載の構造部材の製造方法。
この構造部材の製造方法によれば、溶着部を変形させることなく第１撹拌接合部及び第２撹拌接合部が形成されるため、不連続部である溶着部が塑性変形することがなく、接合不完全部（ボイド）や割れの発生を抑制できる。

（１０） 前記第２接合工程の後に、前記押出材パネルに機械加工を施す、（６）から（９）のいずれか１つに記載の構造部材の製造方法。
この構造部材の製造方法によれば、マシニングセンタ等の機械加工用の工作機械に摩擦撹拌ツールを装着させて摩擦撹拌接合を行った後に、リーマ等の切削工具を付け替えて機械加工を容易に行うことができる。

１１ 押出材パネル
１１ａ 凹状部分
１１ｂ 表側の面
１１ｃ 裏側の面
１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ 中空部
１５ リブ
１７ 中実部
３１ 継手部
３３ 第１撹拌接合部
３５ 第２撹拌接合部
３７ ショルダー撹拌面
４１ ベース
４３ 平滑面
４７，４９ 押圧リブ（押さえ治具）
４７ａ，４９ａ 平面部
１００ 構造部材
Ｄ１ 第１撹拌接合部の深さ
Ｄ２ 第２撹拌接合部の深さ
Ｌ 中実部の幅
Ｔ２ 中空部の厚さ
Ｔ３ 総肉厚
Ｔｒ リブの幅
Ｔｃ 切削工具
Ｔｆ 摩擦撹拌ツール
Ｗｔｆ ショルダー撹拌面の幅
ＷＬ 溶着部の界面
Ｗｒ リブの幅

Claims (9)

1. 少なくとも一つが押出方向に沿って複数列の中空部を有する複数の押出材パネルと、前記押出材パネルの縁部同士が突き合わされて摩擦撹拌接合された継手部とを有する構造部材であって、
   前記継手部は、
   前記押出材パネルの厚さ方向の総肉厚が１５ｍｍ以下であり、
   前記押出材パネルの表面側に形成された第１撹拌接合部と、
   前記押出材パネルの裏面側に形成された第２撹拌接合部と、
   前記押出材パネルの前記表面側及び前記裏面側に前記縁部に沿ってそれぞれ形成されたショルダー撹拌面と、
   を有し、
   前記ショルダー撹拌面の長手方向と前記厚さ方向とに直交する幅方向の長さをＷｔｆ、前記押出材パネル内で隣り合う前記中空部同士の間に形成されるリブの前記幅方向の長さをＷｒとしたとき、
   前記押出材パネルの前記縁部から、前記縁部に最も近くに配置された前記中空部の前記縁部側の端部までの前記幅方向の長さＬは、
   Ｌ≧Ｗｔｆ／２＋Ｗｒ
   であり、
   前記押出材パネルは、前記厚さ方向の一部に、押出し成形による材料同士の接合界面を有する溶着部が形成された中空形材であり、
   前記厚さ方向に関して、前記押出材パネルの前記表面側の面から前記溶着部の界面までの範囲に前記第１撹拌接合部が形成され、前記裏面側の面から前記溶着部の界面までの範囲に前記第２撹拌接合部が形成され、前記第１撹拌接合部と前記第２撹拌接合部とは、前記溶着部の界面を跨がらずに形成されている、
   構造部材。
2. 前記第１撹拌接合部及び前記第２撹拌接合部は、前記厚さ方向に関してそれぞれ２ｍｍ以上、５ｍｍ以下の厚さを有する、
   請求項１に記載の構造部材。
3. 前記押出材パネルは、アルミニウム又はアルミニウム合金である、
   請求項１または２に記載の構造部材。
4. 少なくとも一つが押出方向に沿って複数列の中空部を有する複数の押出材パネルを、該押出材パネルの縁部同士を突き合わせて摩擦撹拌接合する構造部材の製造方法であって、
   ベースに前記複数の押出材パネルを平坦状に並べて配置させる第１配置工程と、
   前記押出材パネル同士を前記平坦状に並べた面内で互いに近接する方向に押圧して前記縁部同士を突き合わせる第１押圧工程と、
   前記ベースの前記押出材パネルを挟んだ他方の側から押さえ治具を前記押出材パネルに当接させ、前記押出材パネルを前記ベースへ押し付ける第１押し付け工程と、
   複数の前記押出材パネルが互いに突き合わされた前記縁部同士間の接合線に沿って、前記押出材パネルの前記押さえ治具側の片面から摩擦撹拌接合する第１接合工程と、
   片面が摩擦撹拌接合された前記押出材パネルから前記押さえ治具を退避させ、前記押出材パネルを、表裏を反転させて再び前記ベース上に配置させる第２配置工程と、
   前記押出材パネルを前記面内で互いに近接する方向に押圧して前記端部同士を突き合わせる第２押圧工程と、
   前記ベースの前記押出材パネルを挟んだ他方の側から前記押さえ治具を再び前記押出材パネルに当接させ、前記押出材パネルを前記ベースへ押し付ける第２押し付け工程と、
   前記接合線に沿って、前記押出材パネルの前記押さえ治具側の片面から摩擦撹拌接合する第２接合工程と、
   を含む、構造部材の製造方法。
5. 前記押さえ治具は、前記押出材パネルの前記中空部の長手方向に延びて設けられ、前記第１押し付け工程及び前記第２押し付け工程において、前記押出材パネル内で隣り合う前記中空部同士の間に形成されるリブと前記押出材パネルの厚さ方向に重なるように配置する、
   請求項４に記載の構造部材の製造方法。
6. 前記第１押し付け工程及び前記第２押し付け工程において、前記押さえ治具によって前記押出材パネルを前記摩擦撹拌接合の接合線の全長にわたって前記ベースに押し付ける、請求項４に記載の構造部材の製造方法。
7. 前記押出材パネルは、前記押出材パネルの厚さ方向の一部に、押出し成形による材料同士の接合界面を有する溶着部が形成された中空形材であり、
   前記押出材パネルの厚さ方向に関して、前記押出材パネルの一方の面から前記溶着部の界面までの範囲に前記第１接合工程による第１撹拌接合部を形成し、前記押出材パネルの他方の面から前記溶着部の界面までの範囲に前記第２接合工程による第２撹拌接合部を形成し、前記第１撹拌接合部と前記第２撹拌接合部とを前記溶着部の界面を跨がずに形成する、
   請求項４から６のいずれか１項に記載の構造部材の製造方法。
8. 前記第２接合工程の後に、前記押出材パネルに機械加工を施す、
   請求項４から６のいずれか１項に記載の構造部材の製造方法。
9. 前記第２接合工程の後に、前記押出材パネルに機械加工を施す、
   請求項７に記載の構造部材の製造方法。

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